GaN晶片的CMP加工工艺研究
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第29卷第5期2011年10月轻工胡糖 LightIndustryMaeh/nery Vo129 N。.5 Oct2011 ..(浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室,浙江杭州310014) 摘 要:研究了GaN晶片的化学机械抛光(CMP)工艺。分析了在CMP加工工艺过程中对GaN晶片表面质量所产生的影 响。实验采用质量分数30%的H:02溶液与铁经过Fenton化学反应20 min后作为抛光液,并分别利用2种不同磨粒粒 度W5和W0.5对晶片表面抛光,对不同工艺参数加工后的晶片表面进行测试分析,并推测加工过程中晶片表面可能发 生的化学反应。图6表1参l5 关键词:化学机械抛光;GaN晶片;Fenton反应 中图分类号:TG580.6 文献标志码:A 文章编号:1005-2895(2011)05-0048-05 Study of the CMP Technical Processing of GaN Chip SUN Qiang,WU Jian,LI Wei (Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Machining Technology of Ministry of Education/Zhejiang Province,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China) Abstract:The article has studied the chemistry mechanical polishing processing of GaN chip,analyzed the inluence fCMP processing on the CaN chip 5u咖ce quality.The experiment took the density 30%H2 02 solution and the iron after Fenton chemical responded about 20 mins as the polishing solution,Uses two kinds of diferent abrasive granularity W5 and W0.5 polished separately to the chip surface,caried on trhe analysis test to the chip surface after different technological parameter processing,and extrapolated the chemical reaction which possibly occured in the CMP processing in the chip surface.[Ch,6 fig.1 tab.15 ref.] Key words:chemistry mechanical polishing(CMP);GaN chip;fenton chemical reaction 0 引言 基的加工方法 ;J.Murata等人利用过氧化氢与铁中 反应,再对GaN进行化学刻蚀加工 ;利用HVPE法 氮化镓(GaN)晶体是在衬底材料蓝宝石上生长出 来的第三代半导体新型电子材料,具有带隙宽、电子漂 移饱和速率高、介电常数小、很好的光学性质等优点, 在航空航天、探测、核能开发、卫星、通信等领域有更广 阔的应用前景¨ 。在非有意掺杂情况下生长GaN晶 对自由态GaN基体修整的化学机械抛光等 j。虽然 这些方法能够改善GaN晶片的表面精度,但是要求的 条件比较特殊,且加工效率比较低,很难实现批量生 产。文章在分析单晶GaN生长和性质的基础上,通过 对单晶GaN晶片的CMP加工技术的深入研究分析, 及对单晶GaN晶片表面加工质量的主要参数进行工 体时,材料呈n型半导体的特性,且较难得到,而掺杂 剂为si和ce的n型半导体较易得到;由于GaN其本 身特殊的物理和化学特性,要想获得表面精度很高的 GaN晶体非常困难[3引。随着对GaN晶体的研究的深 入和广泛,一些对GaN晶体生长及加工的方法得到了 定的改善:比如在特定的条件下,Arul Chakkaravarthi Arjunan等人利用CMP的方法改变自由基态GaN肖特 一艺实验研究,实现对其加工表面精度的要求,从而能够 进行对少量单晶GaN晶片生产的研磨加工。 1 实验材料与实验参数 1.1 GaN晶体的材料性能 GaN是极稳定的化合物,又是坚硬的高熔点材 收稿Et期:2010—11-05;修回日期:2011-02-16 作者简介:孙强(1985),男,安徽淮北人,浙江工业大学硕士研究生,主要从事超精密加工与半导体方面研究。E—mail huaisunqiang@163.corn [栅造・维修] 孙强,等GaN晶片的CMP加工工艺研究 ・49・ 料,质量密度为6.15 g/cm ,熔点高达2 300℃,但是其 分解点在900 ̄C左右。GaN基材料是直接跃迁型半导 体材料,带隙为3.39 eV,热导率为1.3 w/(cm・K), 是一种很好的光电子材料,常被用来作为发光二极管。 GaN具有很高的击穿场强,可达3×10。V/cm;室温 下,其电子饱和迁移率可达900 cm /(V・S)。具有纤 锌矿和闪锌矿2种晶体结构,在蓝宝石衬底上生长的 GaN都是纤锌矿结构,这种结构性能较好,应用也较 广。由于GaN晶体结构特殊,在室温条件下,它不溶 于水、酸、碱,能抗常规的湿法腐蚀 。 1.2实验材料与实验参数 实验采用的GaN晶片是在蓝宝石基体上生长的 一种六方晶系纤锌矿P型的单晶体,其尺寸大小为2 英寸,如图1所示为实验所用的GaN晶片。 图1 实验所用GaN晶片 Figure 1 Experiment uses the GaN chip 实验过程中,GaN晶片是用热熔的石蜡均匀地粘 在配重盘上的,然后再把配重盘分按三等分均匀地分 布在抛光盘上,上面的压力可以根据需要加减配重盘 进行调节。抛光时,抛光盘绕主轴以某速度旋转,配重 盘在摩擦力的作用下随之转动,对晶片抛光加工,实验 前,抛光盘上均匀地涂上研磨膏,加工原理如图2 所示。 实验所用抛光液是质量分数为30%的过氧化氢 溶液与铁块反应:20 min后的溶液,为研究该抛光液的 作用,实验引入一种磨削中的普通抛光液(FAO/S8010 型)与过氧化氢与铁反应后溶液做对比。过氧化氢与 铁块会发生Fenton反应,如式(1)与式(2)所示 Fe +H202一斗Fe +OH+OH一 (1) Fe。 +H202一 Fe +OOH+H一 (2) 由式(1)与式(2)可得式(3) Fe+3H,0,一 M +30H +30H一 (3) 图2抛光原理图 Figure 2 Polishing schematic diagram 开始溶液中有气泡产生,一段时间后,溶液变成乳 白色液体 m ,表面有类似泡沫的物质覆盖在抛光盘 与晶体表面,如图3所示。抛光过程中产生的白色泡 沫状物质,实验证明该物质能够改善晶体的表面质量。 图3抛光过程产生的白色泡沫状物质 Figure 3 White foaming state material in polishing produces 根据J.L.Weyher等人的研究 有式(4)所示 GaN+OH一+3H20 Ga(OH) +NH3 (4) 式(4)中得到的氢氧化镓离子是一种较软且溶解 于水的物质,但是氢氧化镓在酸性中是一种不是很稳 定的物质,易与酸发生中和反应,生成一种不溶于水但 溶于酸和碱的白色胶状物,这种物质可以使GaN晶体 不断被腐蚀。根据G.Nowak等人的研究 ,式(4)又 可以写为式(5),生成一种白色微溶于水的物质Ga 0,,这种物质在OH一作用下,氧化镓参与反应生成三 价氧化镓离子,如式(6)所示,这样可以促进晶体表面 的反应,改善对GaN晶片表面抛光效果。 ・56・ 轻工机械Light Industry Machinery 2011年第5期 输出0 Pulse with counter clock.1 Level wih tclear interrupt 3结论 第1种计数对比定位剔盖的方法,在较低速度下 DOModePara[0].bOverCompare=1;//(OC)设 置数字量输出通道是否置大于比较寄存器的值(0: N/A,1:置大于) DOModePara[0].bUnderCompare=0;//(UC)设 比较可靠,且成本相对较低;但由于对比计数的准确性 问题,抗干扰能力相对较弱。第2种编码器编码定点 剔除的方法,依靠Pc及运动控制卡利用传送带位置 编码的方式来定点剔盖,由于在硬件上增加了运动控 制卡和编码器,成本相对较高,但在高速或低速方式下 置数字量输出通道是否置小于比较寄存器的值(0: N/A,l:置小于) PCI2394SetDevDOMode(hDevice,&DOModePara 一[0]); 在图像处理结束后,如果判断出盖子属于需要剔 均能可靠工作,且抗干扰能力强,是不错的选择,也是 我们目前推广使用的在线定点剔盖方法。 参考文献(References): [1] 中国罐头工业协会科技工作委员会.马口铁食品三片罐工艺技术 除的,即根据当前取得的盖子位置编码值添加1个拍 照定位与剔除定位之间位置偏移值,写人PCI2394卡, 令其在指定位置进行中断输出。代码如下 ]: PCI2394一[M].北京:中国轻工业出版社,2008:118—130. 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[10] 北京阿尔泰科技有限公司.PCI2394计数器卡驱动程序使用说 明书[G].北京:北京阿尔泰科技有限公司,2007:7—13. 从我们的实际应用效果来看,编码器编码定点剔 除的方法,在高速或低速方式下均能可靠工作,连续数 百个盖子能百分百剔除,剔盖准确性高。定位光纤纵 使被误触发,对后续的定位剔盖也没有影响。 尘妇j ● j k j‘}j‘}jk 啦 jI} 业j 毫‘} k夸 j 坐 I; j■}j 1I‘ j‘ I; jI}j‘} I jk坐j‘ j 曲}夸 业 (上接第51页) [7]MURATA J,KUBOTA A,YAGI K,et a1.Chemical planarization of GaN using hydroxyl radicals generated on a catalyst plate in H2 O2 process for obtaining super—smooth surface8 of quartz crystal[Jj. Journal ofMaterials ProcessingTechnology,2003,138:116—119. MYERS TH.VANMIL B L,HOLBERT L J,et a1.Use of high temperature hydrogen annealing to remove sub—surface damage in solution[J].Journal ofCrystal Growth,2008,310:1637—1641. 8]K1M H M,OH J E,KANG T W.Preparation of large 8rea free standing GaN substrates by HVPE using mechanical polishing liftoff bulk GnN[J].Joumal of Crystla Groth,w2002,246:244_251. 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